DE2635218C2 - Anordnung zum Schutz eines Transistors - Google Patents

Anordnung zum Schutz eines Transistors

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Description

a) an der Oberfläche des Transistors (T1) ein zusätzlicher Kontakt (M) im Abstand von dem Kollektorkontaki: :o (C) angeordnet und mit einer bis unter den zusätzlichen Kontakt (M) reichenden Verlängerung (26) der
vergrabenen Schicht über einen zweiten Schacht (H) geringen spezifischen Widerstands verbunden ist und
b) der Meßwiderstand die vergrabene Schicht ist, an welcher eine dem Kollektorstrom des Transistors entsprechende Spannung abfällt, weiche über den Kontakt (C) und den zusätzlichen Kontakt (M) an der Auswerteschaltung anliegt, und die Auswerteschaltung in Abhängigkeit von diesem Spannungsabfall sowie von der am Transistor anliegenden Kollektor-Emitter-Spannung dessen Basisstrom so verringert, daß der Kollektorstrom des Transistors auf einen solchen Wert begrenzt wird, bei welchem kein Durchbruch zweiter Art auftritt.
2. Schutzanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Basis des Transistors (7",) mit dem in Kollektor eines weiteren Transistors (T4) verbunden ist und außerdem die Basis dieses Transistors (T4) mit dem Ausgang (30) der Auswcrteschaltung (D) und der Emitter dieses Transistors (7"4) mit dem Emitter des Transistors. (T1) verbunden sind.
3. Schutzanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (D) aus zwei Transistoren (T2, T3) besteht,
deren Basen miteinander verbunden sind,
deren einer Kollektor gleichzeitig mit den Basen und mit einem Einstellwiderstand (Rt) verbunden ist, wodurch der Arbeitspunkt des Transistors (T1) in Abhängigkeit von der Emitter-Kollektor-Spannung des Transistors (T1) festgelegt wird,
deren andere Kollektor mit dem Ausgang (30) der Schaltung (D) verbunden ist, und
deren Emitter über je einen Anpassungswiderstand (R2 bzw. ΛΛ) mit dem Kollektorkontakt (C) bzw. mit dem weiteren Kontakt (M) verbunden sind.
4. Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Z-Diodc (Z1) mit dem Einstell widerstand (K4) in Reihe geschaltet ist.
5. Schutzanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauelemente der Schutzanordnung monolithisch integriert sind.
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz eines Transistors, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine solche Anordnung ist z.B. aus der DE-OS 2351 732 bekannt.
Die Schutzanordnung nach der DE-OS 23 51 732 ist Bestandteil eines in integrierter Schaltungstechnik ausgeführten Konstantspannungsreglers.
Bei der bekannten Schutzanordnung fließt der Ausgangsstrom des Reglers, d.h. der Emitterstrom des als; Stellglied des Reglers fungierenden Leistungstransistors, durch einen ebenfalls integrierten Strom-Meßwiderstand. Die Begrenzung des Emitt<*rstromes bzw. des Ausgangsstromes des Reglers erfolgt in der durch den Oberbegriff des. Patentanspruchs 1 angegebenen Weise.
Leistungstransistoren sind aber nicht nur durch Überlastung bei Überschreiten des zulässigen Kollektor- bzw. EmiUerstromes, sondern auch durch den ersten und durch den zweiten Durchbruch gefährdet. Der erste Durchbruch trill bei einer zu hohen Kollektor-Emitter-Spannung auf. Der zweite Durchbruch tritt auf. wenn gleichzeitig der Kollektorstrom und die Emitter-Kollektor-Spannung zwei einander zugeordnete Werte überschreiten.
Aus der DE-OS 22 53 808 ist eine Schutzanordnung bekannt, die einen Leistungstransistor gegen den oben genannten /weiten Durchbruch schützen soll. In der integrierten Schaltung, von welcher der zu schützende Leistungstransistor ein Bestandteil ist. wird zu diesem Zweck der Emit'.erstrom dieses Transistors unmittelbar in dem Lcitcrabsclinitt gemessen, welcher zwischen dem Emitterkontak; ties Leistungstransistors und dem emitterseiti-
gen, zum äußeren Anschluß der integrierten Leistungstransistor-Anordnung führenden Anschlu3punkt angeordnet ist. Gleichzeitig wird die Kollektor-Emitter-Spannung des Leistungstransistors gemessen. Die beiden Meßsignale werden miteinander verknüpft und einer Schwellwertschaltung zugeführt, die den Kollektorstrom des Leistungstransistors begrenzt, wenn die beiden Meßsignale kritische Werte erreichen. Die bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß der Emitterwiderstand zur vlessung des Kollektorstromes eine Gegenkopplung bewirkt und so die j Aussteuerkennlinie des Transistors verändert wird.
In monolithisch integrierten Schaltungen ist die Verwirklichung eines solchen Widerstandes, an dem der Emitterbzw. Kollektorstrom über den daran entstehenden Spannungsabfall gemessen wird, problematisch. Dieser Widerstand soll nämlich gering sein, d. h. er soll iypischerweise in der Größenordnung von 1 Ω liegen, so daß er bei den auftretenden Kollektorströmen nur einen geringen Spannungsabfall und damit eine entsprechend geringe Verlustleistung verujxacht. Dieser Widerstand muß weiter so ausgebildet sein, daß die darin erzeugte Wärme hinreichend gut abgeführt wird. Andererseits darf ein solcher Widerstand in der integrierten Schaltungsanordnung keinen zu großen Platz beanspruchen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Schutzanordnung der vorausgesetzten Gattung einen wirksamen Schutz gegen den zweiten Durchbruch zu erreichen, ohne daß dazu ein Chip-Fläche beanspruchender Meßwiderstand zur Messung des Kollektorstroms in die Schaltung integriert werden muß und keine Veränderung der Ansteuerkennlinie des Transistors auftritt.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Patentanspruchs 1 gelöst.
Aus der US-PS 3 654530 ist es an sich bereits bekannt, das Subkollektorgebiet eines Transistors zu verlängern und mit einem zusätzlichen Anschlußkontakt zj versehen. Der Übergangswiderstand zwischen dem Subkollektorgebiet :o und diesem zusätzlichen Anschiußkontakt bildet einen elektrischen Widerstand, der durch Verbindung des zusätzlichen Anschlußkoniaktes mit der Basis des Transistors einen Überbrückungswiderstand zwischen Basis und Kollektor bildet. Da Basis und Emitter des Transistors ferner durch einen äußeren Widerstand überbrückt sind, ist die so gebildete Schaltungsanordnung als Klemmschaltung verwendbar. Insbesondere wird das Subkollektorgebiet bei dieser bekannten Anordnung nicht als Meßwiderstand zur Messung des Kollektorstroms verwendet. :5
Hingegen sieht die Erfindung vor. das Subkollektorgebiet für zwei Zwecke gleichzeitig zu verwenden, nämlich in herkömmlicher Weise zur Kontaktierung des Kollektorgebietes und ferner als Meßwiderstand zur Messung des Kollektorstromes. Dieser Meßwiderstand ist in eine Schutzschaltung einbezogen, welche die an dem Meßwiderstand abfallende Spannung verarbeitet und den zu schützenden Transistor gegen den zweiten Durchbruch schützt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 im Schnuitt einen Planartransistor, der Teil einer integrierten Schaltung ist.
Fig. 2 ein Prinzipschaltbild der Anordnung zum Schutz des Transistors.
Fig. 3 eine ausgeführte Schaltung der Schutzanordnung, und
Fig. 4 einen Wirkungsbereich der Schutzschaltung im /(-I/ c/.-Diagramm.
In einem Substrat 1 aus einem Halbleitermaterial, wie etwa Silicium, das beispielsweise P-leitend ist. werden Transistoren der in Fig. 1 dargestellten Art erzeugt. Sie enthalten eine N*-leitende Emitterzone 3 mit seinem Emitterkontakt E, eine ^-leitende Basiszone 4 mit seinem Basiskontakt B und eine Λ'-leitende Kollektorzone 5 und sind durch Isolierwannen voneinander isoliert. Diese Isolierung erfolgt, indem die Kollektorzone 5 mit in Sperrichtung vorgespannten Gleichrichterübergängen in dem Substrat umgeben wird. Jede Wanne besteht deshalb an ihren Seitenwänden aus P-leitenden Gebieten 2, die der Λ'-leitenden Kollektorzone 5 gegenüberliegen, und an der Unterseite aus dem Substrat 1. 4>
Zur Senkung des Widerstandes des Kollektorkontaktes C ist zwischen der Kollektorzone 5 und dem Substrat 1 eine ^-leitende Halbleiterschicht 6 mit geringem spezifischen Widerstand angeordnet. Der Kollektorkontakt Cist an diese vergrabene Schicht über einen Schacht 10 mit geringem spezifischen Widerstand angeschlossen.
Im Betrieb folgen die Kollektorstromlinien den durch die Pfeile angegebenen Wegen. Der Kollektor-Emitter-Strom Hießt vor allem in der vergrabenen Schicht 6 mit geringem spezifischen Widerstand und verläßt sie im Bereich 16. der dem Emitterkontakt E gegenüberliegt.
Diese vergrabene Schicht 6, die in dem Transistor üblicherweise zur Kontaktierung der Kollektorzone verwendet wird, wird im vorliegenden Fall zu einem zweiten Zweck gebraucht, nämlich als Kollektorstrom-Meßwiderstand.
Die Messung des elektrischen Spannungsa!: falls an der vergrabenen Schicht 6 erfordert, daß diese Schicht an zwei getrennten Punkten zugänglich ist. Dazu wird die vergrabene Schicht über den Bereich, welcher der Emitterzone gegenüberliegt, hinaus verlängert dies ist der Abschnitt 26 der vergrabenen Schicht - und über einen weiteren Schacht 11 mit dem zusätzlichen Kontakt M verbunden. Da der Widerstand der Verlängerung 26 der vergrabenen Schicht 6 und des weiteren Schachts 11 sehr gering ist, ist es möglich, durch einen an die Kontakte C und M angeschlossenen Meßkreis den elektrischen Spannungsabfall zwischen dem Kollektorkontakt C und dem Bereich 16 der vergrabenen Schicht zu messen. w>
Fig. 1 b zeigt in schematischer Form die Ersatzschaltung des Transistors von Fig. la. Die vergrabene Schicht 6 ist durch den gestrichelten Umriß 6 dargestellt, während der Teil 36 der vergrabenen Schicht, der zwischen dem Kollektorkontakt Γ und dem Bereich 16 liegt, durch den Widerstund R dargestellt ist. Der zwischen dem Bereich 16 und dem Kontakt M liegende Teil 26 ist durch den Widerstand /?„ dargestellt.
Fig. 2 zeigt ein Prinzipschaltbild der Schutzanordnung. Sie enthält den zu sehätzenden Transistor 7",. der durch λ? einen gestrichelten l'mriß begrenzt ist. welcher in seinem Innern den Widerstand R, in Reihe mit dem Kollektor des Transisto s und dt"η Widerstand R1, enthält, für die jeweils Art und Aufbau weiter oben angegeben sind. Der Transistor 7", hat ei hon Eingang .1 für das zu verstärkende Signal und einen Ausgang S für das verstärkte Signal, das
an dem Kollektoranschluß C mit dem äußeren Arbeitswiderstand Λ", abgenommen wird. Die anderen Anschlüsse E.
B, M des Transistors T1 sind die in Fig. 1 dargestelllen. Eine nicht dargestellte elektrische Spannungsquelle ist zwischen V1 und V1 angeschlossen, wobei V1 der Anschlußpunkt der Masseverbindung der Schaltungsanordnung ist.
Im Betrieb ist die an dem Ausgang 30 der Schaltung (D) anliegende mit dem Wert des Kollektorstroms und der Kollektor-Emitter-Spannung des zu schützenden Transistors verknüpft; diese Verknüpfung ist durch die Werte bzw. das Verhältnis der Widerstände A1 und R4 festgelegt.
Entsprechend der Aussteuerung durch die Schaltung (D) wird der Transistor 74 den durch das Eingangssignal in den Anschluß A der Basis des zu schützenden Transistors T1 zugeführten Basisstrom insgesamt oder zum Teil aufzehren, indem er diesen Basisstrom nach Masse (V1) ableitet.
in Fig. 3 zeigt eine ausgeführte Schaltung der Transistor-Schutzanordnung. Die Schaltung ist aus zwei Transistoren T2 und 7, aufgebaut. Außerdem enthält sie eine Zener-Diode Z1 in Reihe mit dem Widerstand R4, während eine zweite Zener-Diode Z2 in die Basiszuleitung des Transistors 74 eingefügt ist. Die beiden Z-Dioden erlauben, den Arbeitsbereich der Schutzschaltung innerhalb der beiden Betriebs-Grenzzustände, nämlich dem Betrieb mit maximal zulässiger Kollektor-Emitter-Spannung und großem Kollektorstrom (Durchbruch zweiter Art), zu halten. Die Diode Z2 legt den Betriebsschwellenwert des Transistors T4 fest.
Im folgenden wird die Betriebsweise dieser Ausführungsform der Schutzanordnung unter folgenden Annahmen beschrieben:
die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren T2,T3 und 7^, die mit Vmr bzw. VBt3 bzw. VBti bezeichnet :ii werden, sind gleich;
die Basisströme der Transistoren T1 und T3 sind vernachlässigbar;
die Zener-Dioden Z, und Z2 haben Zener-Spannungen V71 bzw. V7,, die gleich V7 sind;
der Widerstand Rx ist gegenüber den Widerständen Rs und /?h klein und die Widerstände R1, Rs und Rfo sind gegenüber dem Widerstand R4 klein.
Unter diesen Annahmen gilt folgende Gleichung:
X1 + A1) (1)
woraus sich folgende drei Fälle ergeben:
/ yj \
Für V11x größer oder gleich (V7 + V111) -11+ -^- J verbraucht der Transistor T4 den gesamten Signalstrom, der über den Anschluß A der Basis des Transistors T1 zugeführt wird. Der Transistor 7", ist damit gesperrt.
Für kleinere Werte der Spannung Ccll, d.h. kleiner als (V7+ VBh)A 1+-^), nimmt der maximal zulässige
V a, /
Kollektorstrom von Tx zu, wenn Va;i abnimmt. Durch geeignete Wahl der Widerstandswerte und des Wertes V7 in der Gleichung (1) ist es möglich, die Betriebswerte des Transistors Tx in den Grenzen zu halten, innerhalb derer kein 4(| Durchbruch zweiter Art auftritt.
Schließlich, wenn die Spannung V1n kleiner als V7 + V1n wird, ist der Transistor T4 gesperrt. In diesem Fall muß der Kollektorstrom in dem Transistor T1 durch andere Maßnahmen auf den maximal zulässigen Wert begrenzt werden.
Es sei angemerkt, daß der Transistor 7"2 über seinen Emitter und nicht über seine Basis angesteuert wird. Diese vorteilhafte Ausgestaltung wird durch die Tatsache ermöglicht, daß die angelegten Spannungen durch Quellen mit sehr kleinem Innenwiderstand, nämlich insbesondere durch die kleinen Widerstände A5 und Rb, geliefert werden. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine besonders einfache Beschreibung des Transistors T2.
Fig. 4 zeigt in einem /(-(/(,.-Diagramm schematisch den sicheren Arbeitsbereich für einen Transistor; im vorliegenden Fall für den Transistor Tx.
. Der sichere Arbeitsbereich wird einerseits durch die Koordinatenachse und andererseits auf der Stromachse durch eine Horizontale AB entsprechend dem maximal zulässigen Kollektorstrom und auf der Kollektor-Emitter-Spannungsachsc durch eine Vertikale CD, welche ungefähr den Bereich des Durchbruchs erster Art angibt, begrenzt; schließlich ist die Kontur BC in etwa die Hyperbel für die maximal zulässige Verlustleistung.
Die Schutzanordnung grenzt den Arbeitsbereich des Transistors Tx innerhalb dieser Fläche folgendermaßen ein:
-s Für einen bestimmten Maximalwert C der Kollektor-Emitter-Spannung ist die Basis des Transistors gesperrt, und
der Kollektorstrom ist Null. Für einen abnehmenden Wert der Kollektor-Emitter-Spannung steigt der Strom, der zulässig ist, bevor eine Zerstörung durch Durchbruch zweiter Art, linear an. Das ist der Geradenabschnitt CB, der im übrigen in der Praxis einen kleinen gekrümmten Teil an der Stelle B enthält, sobald die Kollektorspannung Vz τ VHl: erreicht ist; an dieser Stelle ergibt sich ein fast vertikaler Anstieg des Stroms. Unterhalb dieses Wertes der
M) Kollektorspannung läßt sich der Kollektorstrom auf/A, begrenzen, wenn der Basisstrom in den Transistor 7", z.B.
durch Konstantstromspeisung begrenzt ist.
Es sei angemerkt, daß alle Bauelemente, die Teil dieser Anordnung sind, sich auf einen Chip integrieren lassen, da es sich um Widerstände Rj, R2-, R* und A5, Transistoren T1, T3, T4, sowie um Dioden Z1 und Z2 handelt.
Diese Ausführungsform bietet außer geringen Herstellungskosten den weiteren Vorteil, daß sie für eine maximale thermische Stabilität der Anordnung sorgt, da alle Bauelemente, die eine wichtige Funktion haben, denselben Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Anordnung zum Schutz eines Transistors, insbesondere Leistungstransistors, der auf einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats (1) eines ersten Leistungstyps (P) ausgebildet ist und aufweisf
eine in dem Substrat (1) gebildete Kollektorzone (5) eines zu dem ersten Leitungstyp entgegengesetzten zweiten Leitungstyps (N),
eine auf der Kollektorzone (5) gebildete Basiszone (4) des ersten Leitungstyps (P),
eine auf der Basiszone (4) gebildete Emitterzone (3) des zwiten Leitungstyps (N) und
ίο - eineSubkollektorzone in Form einer vergrabenen Schicht (36) des zweiten Leitungstyps (N+) mit geringem spezifischen Widerstand, die zwischen der Kollektorzone (5) und dem Halbleitersubstrat (1) angeordnet ist und die Kollektorzone (6) über einen ersten Schacht (10) niedrigen spezifischen Widerstands mit dem Kollckiorkontakt (C) verbindet und in dem Halbleitersubstrat ferner ein Meßwiderstand ausgebildet ist, wobei die Schutzanordnung aus dem Meßwiderstand und einer Auswerteschaltung besteht, welche den durch den Transistor fließenden Strom mittels des Spannungsabfalls an dem Meßwiderstand mißt und den Basisstrom des Transistors in Abhängigkeit von diesem Spannungsabfall so weit verringert, daß der zulässige Strom durch den Transistor nicht überschritten wird, dadurch gekennzeichnet, daß
DE2635218A 1975-08-05 1976-08-05 Anordnung zum Schutz eines Transistors Expired DE2635218C2 (de)

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